JP4211559B2 - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置及びこの光源装置を備えるプロジェクタに関するものである。
LED等の固体発光光源、特に平面発光領域から光を放射する固体面発光光源が光源部として用いられている。そして、固体面発光光源の発光効率は目覚しく向上している(例えば、非特許文献1参照)。
田口常正著 「白色LEDシステムの高輝度・高効率・長寿命化技術」株式会社 技術情報協会出版 2003年3月27日、P47−P50
固体面発光光源をプロジェクタの光源部として用いることができる。この場合、光源の発光効率だけではなく、空間光変調装置や投写レンズを含めた光学系における光の利用効率を考える必要がある。光源部と液晶ライトバルブやティルトミラーデバイス等の空間光変調装置とを含めた光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積(以下、「エテンデュー」という。Geometrical Extent)として表すことができる。この面積と立体角の積は、光学系において保存される。従って、光源部の空間的な広がりが大きくなると、空間光変調装置で取り込むことができる角度が小さくなる。このため、光源部からの光束を有効に用いることが困難である。
また、固体面発光光源の平面発光領域は、いわゆるランバート面として機能する。ランバート面からの光の明るさ(輝度)は、観察する角度に関わらず一定であり、すべての方向に対して同じ輝度である。このような固体面発光光源をプロジェクタに使用する場合は、固体面発光光源からの光を、空間光変調装置の方向へ効率良く導くことが望ましい。このため、例えば平行化レンズを使用して固体面発光光源からの光を平行光へ変換して空間光変調装置へ導くことが考えられる。しかしながら、固体面発光光源の平面発光領域は一定の広がりを有しており、点光源ではないため、効率よく平行化することは困難である。
さらに、従来は、個体面発光光源からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズを平面発光領域に接して設けている。半球レンズは、正の屈折力を有するレンズ(凸レンズ)として機能する。このため、半球レンズは、平面発光領域からの光を所定の方向へ屈折させて導くことができる。しかしながら、半球レンズを平面発光領域に接して設けると、面発光光源の像は、拡大して結像してしまう場合が多い。面発光光源の像が拡大すると、その空間的な広がりが大きくなる。これにより、上述のエテンデューが保存されることから、空間光変調装置で取り込むことができる角度が小さくなる。このため、光源部からの光束を有効に用いることが困難である。さらに、半球レンズを射出した光を上述のように平行化レンズでコリメートする場合も、広がりのある光源のため、効率よく平行化することは困難である。これにより、光源部からの光束を有効に用いることは困難である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光利用効率が高い光源装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、第1の発明によれば、平面発光領域から光を放射する面発光部と、面発光部の一方の面側に設けられている反射部と、面発光部の他方の面側に設けられ、光学的透明部材からなる円錐プリズム又は角錐プリズムとを有し、円錐プリズムの底面又は角錐プリズムの底面は、平面発光領域と略同一の大きさ及び形状であり、円錐プリズムの斜面又は角錐プリズムの斜面は、底面から円錐プリズム又は角錐プリズムに入射した光のうち、斜面で屈折する光を特定の方向へ射出し、斜面で反射する光を底面の方向へ導き、反射部は、斜面で反射され、底面と面発光部とを透過した光を、円錐プリズム又は角錐プリズムの方向へ再度反射することを特徴とする光源装置を提供できる。
面発光部からの光は、面発光部の他方の面側に設けられている硝子等の光学的透明部材からなる円錐プリズム又は角錐プリズムに底面から入射する。底面から入射した光は、プリズム内を進行してプリズムの斜面に到達する。ここで、斜面への入射角度により、斜面と外界の媒質、例えば空気との界面で屈折する場合と、界面で反射する場合がある。斜面の界面で屈折した光は、特定の方向へ射出される。これに対して、斜面の界面で反射した光は、さらに円錐プリズム又は角錐プリズム内を進行する。例えば、ある斜面で反射された光は、プリズム内を進行して他の異なる斜面へ到達する。そして、プリズム内を進行した光は、他の異なる斜面で屈折される場合、特定の方向へ射出される。また、プリズム内を進行した光は、他の異なる斜面で反射される場合、さらに光路を変換されてプリズム内を進行する。このとき、複数回反射しながらプリズム内を進行して、面発光部の方向へ戻る光を考える。面発光部の方向へ戻った光は、面発光部を透過する。面発光部を透過した光は、面発光部の一方の面側、即ち円錐プリズム又は角錐プリズムが設けられている面と反対側の面に設けられている反射部に入射する。反射部に入射した光は、反射部で円錐プリズム又は角錐プリズムの方向へ再度反射される。再度反射された光は、面発光部を透過して、底面から再度円錐プリズム又は角錐プリズムへ入射する。このような反射を複数回繰り返すうちに、プリズムの斜面へ入射する角度が、第1回目に斜面へ入射する角度と異なってくる。このため、斜面で屈折できる角度となっている光は、斜面で屈折されて特定の方向へ射出される。また、斜面で屈折されずに反射された光は、斜面で屈折して射出するまで上述の反射工程をさらに繰り返す。従って、プリズムや反射部における光の吸収を無視すれば、面発光部から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置を得ることができる。
さらに、面発光部からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズの代わりに、円錐プリズム又は角錐プリズムを用いている。このため、面発光部の像が拡大して結像してしまうことがない。これにより、面発光部の像の空間的な広がりを低減できる。このため、エテンデューが保存されることから、空間光変調装置を照明する場合、空間光変調装置で取り込むことができる角度が大きくなる。加えて、光源装置を射出した光を平行化レンズでコリメートする場合も、空間的な広がりが少ないため、効率よく平行化できる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、円錐プリズムの頂角又は角錐プリズムの対向する斜面のなす頂角は略90°であることが望ましい。これにより、円錐プリズム又は角錐プリズムの斜面で反射された光は、さらに効率良く反射工程を繰り返して射出することができる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、底面には、入射光を散乱させる拡散板が設けられていることが望ましい。反射工程を繰り返して、斜面から底面へ向かう光、及び反射部で反射されて面発光部を透過して再度底面へ向かう光は、拡散板で進行方向がランダムな方向へ拡散される。このため、プリズムの斜面へ入射する角度が、斜面で屈折して射出できる角度へ変換される割合が多くなる。このため、さらに光利用効率を高くすることができる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズムは、4つの斜面を有する四角錐プリズムであり、4つの斜面には、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分を透過し、特定の振動方向に略直交する偏光成分を反射する偏光分離膜が形成され、対向する一対の斜面は、偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略90°回転させる位相差板をさらに有し、4つの斜面は、振動方向が揃った光を射出することが望ましい。本光源装置をプロジェクタに適用する場合、空間光変調装置として液晶ライトバルブを用いることがある。液晶ライトバルブは、入射光の偏光状態を画像信号に応じて変調して射出する。このため、光源装置は、光利用効率が高いことに加えて、特定の振動方向の偏光光、例えばp偏光を効率良く供給することが望ましい。本態様では、4角錐プリズムの4つの斜面に偏光分離膜が形成されている。偏光分離膜は、例えば誘電体多層膜で構成される。偏光分離膜は、斜面に対して所定の角度、例えば略45°で入射する光のうち、p偏光光を透過し、s偏光光を反射させる。これにより、4つの各斜面から射出する光は、各斜面に対してp偏光光となっている。ここで、四角錐プリズムを頂角の方向から見た場合、4つの斜面のうち、相対する一対の斜面を一組の斜面と考える。四角錐プリズムの場合、略直交する方向に2組の斜面を有している。偏光分離膜は、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分(p偏光光)を透過させる。このため、四角錐プリズム全体として見た場合、2組の斜面からは、略直交する方向の2つ振動方向の偏光成分が射出される。本態様では、2組の斜面のうち1組の斜面、即ち対向する一対の斜面は、偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略90°回転させる位相差板をさらに有している。このため、位相板を透過するp偏光光は、その振動方向が略90°回転される。これにより、四角錐プリズムの2組の斜面(4つの斜面)からは、全て方向が同一の振動方向の偏光光が、特定の方向へ射出される。従って、光利用効率が高く、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、底面には、1/4波長板又は偏光光の振動方向をランダムにする前記拡散板が形成されていることが望ましい。偏光分離膜の作用により、上述の反射工程を繰り返す光は、所定の振動方向に略直交する振動方向の偏光光である。直線偏光光は、プリズムの底面の1/4波長板を透過して円偏光に変換される。円偏光光は、面発光部を透過する。そして、面発光部を透過した円偏光光は、反射部で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度面発光部と1/4波長板とを透過して、1/4波長板607へ入射する前の偏光状態である直線偏光状態に比較して、略90°回転した直線偏光光に変換される。このため、再度偏光分離膜に入射すると、偏光分離膜を透過できる。また、プリズムの底面に偏光光の振動方向をランダムにする拡散板が設けられている場合は、拡散板へ入射する前の偏光状態に比較して、振動方向がランダムな方向へ拡散(散乱)される。このため、再度偏光分離膜に入射すると、偏光分離膜を透過できる割合が高くなる。これにより、光の利用効率を向上できる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムの射出側に設けられ、第1の振動方向の偏光成分を透過し、第1の振動方向とは異なる第2の振動方向の偏光成分を反射する偏光板を有することが望ましい。本態様では、プリズムの斜面に偏光分離膜を設ける代わりに、角錐プリズム又は円錐プリズムの斜面側に、第1の振動方向の偏光成分を透過し、第1の振動方向とは異なる第2の振動方向の偏光成分を反射する偏光板を設けている。これにより、角錐プリズムの斜面又は円錐プリズムの斜面を屈折して射出した光が、偏光板に入射する。そして、偏光板は、第1の振動方向の光を透過して射出する。また、第1の振動方向と異なる第2の振動方向の光は、偏光板で反射される。偏光板で反射された光は、上述の反射工程を繰り返すことにより、振動方向が変化し、いずれは偏光板から射出する。このため、高い光利用効率で、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムと、偏光板との間の光路内に、さらに1/4波長板を有することが望ましい。角錐プリズム又は円錐プリズムから射出して偏光板で反射された第2の振動方向の偏光光は、1/4波長板を透過して、円偏光光となり、プリズムの方向へ進行する。そして、円偏光光は、反射部で反射され、逆回りの円偏光光になり、再度プリズム内を進行する。逆回りの円偏光光は、1/4波長板をもう一度透過して、1/4波長板へ入射する前の偏光状態である直線偏光状態に比較して、略90°回転した直線偏光光に変換される。このように第2の振動方向の光は、1/4波長板を2度透過することで、振動方向が略90°回転して、第1の振動方向へ変換される。このため、第1の振動方向へ変換された光は、偏光板を透過して射出される。これにより、第1の振動方向に揃った光を効率良く取り出すことができる。
また、第1の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムを囲むように設けられ、角錐プリズム又は円錐プリズムから射出した光を反射する反射面が形成されている光ガイド部を有することが望ましい。光ガイド部は、例えば、内周面が反射面である中空円筒形状である。また、光ガイド部の高さは、角錐プリズム又は円錐プリズムの高さと略等しいことが望ましい。角錐プリズム又は円錐プリズムは、光ガイド部により囲まれているため、プリズムから射出した光は、反射面で反射される。このため、光ガイド部よりも外側へは光が広がることはない。これにより、面発光部と略同じ面積の領域から光を効率良く取り出すことができる。
また、第2の発明によれば、上述の光源装置と、光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、光利用効率の高い光源装置からの光を用いて明るい投写像を得ることができる。
以下に、本発明に係る光源装置及びプロジェクタの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の実施例1に係る光源装置100の斜視図である。光源装置100は、面発光LEDである。また、図2は、光源装置100の断面構成を示す。図2において、サファイア基板102にGa、In、N等の結晶を成長させて面発光部101を形成する。面発光部101の端部にボンディングワイヤ103が設けられている。面発光部101は、平面発光領域101aから光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部101は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部101の一方の面側には、反射部である反射金属電極106が設けられている。また、面発光部101の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム104が光学的接着剤で固着されている。四角錐プリズム104の底面104aには、入射光を散乱させる拡散板107が設けられている。
次に、上述の構成において、面発光部101から放射された光の振る舞いについて説明する。四角錐プリズム104の底面104aは、略正方形形状である。底面104aは、略正方形形状の平面発光領域101aと略同一の大きさ及び形状である。また、高屈折率硝子からなる四角錐プリズム104の屈折率nは、サファイア基板102の屈折率と略同一又はそれ以上で有れば良い。好ましくは、四角錐プリズム104の屈折率nは、少なくとも1.45以上が望ましい。さらに好ましくは、四角錐プリズム104の屈折率n=1.77である。これにより、面発光部101から放射されサファイア基板102内を進行する光は、サファイア基板102と四角錐プリズム104の底面104aとの間の界面で全反射されることがない。このため、面発光部101からの光は、効率良く四角錐プリズム104内へ底面104aから入射する。
面発光部101は、上述のようにランバート面であるため、発光点からすべての方向に略同一の強度の光を放射する。底面104aから四角錐プリズム104内に入射した光は、四角錐プリズム104内を進行して、斜面105aに到達する。ここで、斜面105aへの入射角度により、斜面105aと外界の媒質、例えば空気との界面で屈折する場合と、界面で反射する場合がある。例えば、光L1は、位置P1において斜面105aの界面で屈折して特定の方向へ射出される。
これに対して、光L2は、位置P2において斜面105aの界面で屈折されることなく反射される。位置P2において反射された光は、さらに四角錐プリズム104内を進行する。斜面105aで反射された光L2は、四角錐プリズム104内を進行して他の異なる斜面105bへ到達する。光L2が、他の異なる斜面105bの位置P3で反射される場合、さらに光路を変換されて四角錐プリズム104内を底面104aの方向へ進行する。底面104aを透過して面発光部101の方向へ戻った光は、さらに面発光部101を透過する。面発光部101を透過した光は、面発光部101の一方の面側、即ち四角錐プリズム104が設けられている面と反対側の面に設けられている反射部である反射金属電極106に入射する。反射金属電極106に入射した光L2は、反射金属電極106で四角錐プリズム104の方向へ再度反射される。
再度反射された光L2は、面発光部101を透過して、底面104aから再度、四角錐プリズム104へ入射する。このような反射を複数回繰り返すうちに、プリズムの斜面105bへ入射する角度が、第1回目に斜面105bへ入射する角度と異なってくる。このため、斜面105bで屈折できる角度となっている光L2は、斜面105bで屈折されて特定の方向へ射出される。また、斜面105bで屈折されずに反射される場合、斜面105a、105bで屈折して射出するまで上述の反射工程をさらに繰り返す。従って、四角錐プリズム104や反射金属電極106における光の吸収を無視すれば、面発光部101から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置100を得ることができる。
さらに、面発光部101からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズの代わりに、四角錐プリズム104を用いている。このため、面発光部101の像が拡大して結像してしまうことがない。これにより、面発光部101の像の空間的な広がりを低減できる。このため、エテンデューが保存されることから、空間光変調装置を照明する場合、空間光変調装置で取り込むことができる角度が大きくなる。加えて、光源装置100を射出した光を平行化レンズでコリメートする場合も、空間的な広がりが少ないため、効率よく平行化できる。
また、底面104aには、光L2を散乱させる拡散板107が設けられている。拡散板107は、底面104aに微細な凹凸を形成すること、又は底面104aの接着層に拡散ビーズを混入することで構成できる。上述の反射工程を繰り返して、斜面105bから底面104aへ向かう光L2、及び反射金属電極106で反射されて面発光部101を透過して再度、底面104aへ向かう光L2は、拡散板107で進行方向がランダムな方向へ拡散される。このため、四角錐プリズム104の斜面105bへ入射する角度が、斜面105bで屈折して射出できる角度へ変換される割合が多くなる。このため、さらに光利用効率を高くすることができる。
次に、光源装置100から放射された光の強度分布について説明する。図3−1は、従来の面発光LEDの放射強度分布を示す。図3−1の横軸は光源の位置(例えば、図2のx方向)、縦軸は任意の光強度座標Iをそれぞれ示す。上述のように、従来の面発光LEDは、ランバート面から放射である。このため、図3−1に示すように、全ての観察方向へ等しい強度分布の光を放射する。これに対して、本実施例では、四角錐プリズム104の斜面105a、105bの屈折により、四角錐プリズム104の頂角方向を中心として光強度が一定の範囲内で分布している。このため、光源装置100は、特定の方向へ効率良く光を放射できる。
また、図4は、四角錐プリズム104の頂角θと、頂角の方向を中心とする放射光の強度との関係を示す。図4から明らかなように、頂角θ=90°近傍のときに、放射光の中心部分の強度が最大になる。本実施例では、四角錐プリズム104の対向する斜面105a、105bのなす頂角θは略90°である。これにより、四角錐プリズム104の斜面105a、105bで反射された光は、さらに効率良く反射工程を繰り返して射出することができる。従って、放射光の中心部分の強度分布を大きくできる。
図5は、本発明の実施例2に係る光源装置500の斜視図である。実施例1では、四角錐プリズムを用いたのに対し、本実施例では円錐プリズムを用いる点が異なる。その他の基本的構成は、実施例1と同様であり、上記実施例1と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。光源装置500は、面発光LEDである。サファイア基板102上にGa、In、N等の結晶を成長させて円形の面発光部101を形成する。円形の面発光部101の端部にボンディングワイヤ103が設けられている。面発光部101は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部101は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部101の一方の面側には、反射部である反射金属電極106(不図示)が設けられている。また、面発光部101の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる円錐プリズム504が光学的接着剤で固着されている。円錐プリズム504の底面104a(不図示)には、入射光を散乱させる拡散板107が設けられている。
本実施例の構成により、上記実施例1と同様の反射工程を繰り返して、面発光部から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置を得ることができる。
図6−1は、本発明の実施例3に係る光源装置600の斜視図である。本実施例では、特定の振動方向の偏光光を、特定の方向へ射出する点が実施例1と異なる。上記実施例1と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。光源装置600は、面発光LEDである。また、図6−2は、光源装置600を四角錐プリズム604の頂角θの方向(z軸方向)から見た図である。なお、頂角θ=90°である。図2において、サファイア基板102上にGa、In、N等の結晶を成長させて面発光部101を形成する。面発光部101の端部にボンディングワイヤ103が設けられている。面発光部101は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部101は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部101の一方の面側には、反射部である反射金属電極106(図7−1、7−2参照)が設けられている。また、面発光部101の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム604が光学的接着剤で固着されている。四角錐プリズム604の底面604aには、1/4波長板607が設けられている。
図6−2に示すように、四角錐プリズム604は、第1斜面605aと、第2斜面605bと、第3斜面605cと、第4斜面605dとの4つの斜面を有する。第1斜面605aと、第3斜面605cとが対向する。また、第2斜面605bと、第4斜面605dとが対向する。4つの斜面605a、605b、605c、605dには、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分であるp偏光光を透過し、特定の振動方向に略直交する偏光成分であるs偏光光を反射する偏光分離膜610が形成されている。偏光分離膜610は、誘電体多層膜からなり、4つの斜面605a、605b、605c、605dに同時に製膜される。
対向する一対の斜面である第2斜面605bと第4斜面605dとには、偏光分離膜610上に、透過光の振動方向を略90°回転させる位相差板であるシート状の1/2波長板611(図6−2において斜線を付す)がさらに光学的透明接着剤で固着されている。本光源装置600をプロジェクタに適用する場合、空間光変調装置として液晶ライトバルブを用いることがある。液晶ライトバルブは、入射光の偏光状態を画像信号に応じて変調して射出する。このため、光源装置600は、光利用効率が高いことに加えて、特定の振動方向の偏光光、例えばp偏光を効率良く供給することが望ましい。
4つの斜面605a、605b、605c、605dに形成されている偏光分離膜610は、各斜面に対して所定の角度、例えば略45°で入射する光のうち、p偏光光を透過し、s偏光光を反射させる。これにより、4つの各斜面605a、605b、605c、605dから射出する光は、各斜面605a、605b、605c、605dに対してp偏光光となっている。4つの斜面605a、605b、605c、605dのうち、一組の斜面605a、605cと、他の一対の斜面605b、605dとは、略直交する方向に設けられている。偏光分離膜610は、各斜面605a、605b、605c、605dに対して特定の振動方向の偏光成分であるp偏光光を透過させる。
図7−1は、第1斜面605aと第3斜面605cとの断面方向の構成を示す。面発光部101から放射されたランダム偏光光は、後述する1/4波長板607を透過して、四角錐プリズム604の底面604aから四角錐プリズム604内へ進行する。四角錐プリズム604内を進行する光は第1斜面605aに到達する。第1斜面605aに到達した光のうちp偏光光L71は、偏光分離膜610を透過して特定方向へ射出する。また、第1斜面605aに到達した光のうちs偏光光は、偏光分離膜610で反射して、第1斜面605aに対向する第3斜面605cへ入射する。ここで、s偏光光はさらに第3斜面605cの偏光分離膜610で反射されて、底面604aの方向へ進行する。底面604aの方向へ進行するs偏光光は、底面604aを透過して1/4波長板607へ入射する。1/4波長板607は底面604aに光学的透明接着剤で固着されている。
そして、s偏光光は、1/4波長板607を透過して円偏光光に変換される。円偏光光は、反射金属電極106で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部101と1/4波長板607とを透過して、1/4波長板607へ入射する前の偏光状態であるs偏光状態に比較して、略90°回転した直線偏光光、即ちp偏光光に変換される。このため、p偏光光L72は、再度第3斜面605cの偏光分離膜610に入射すると、偏光分離膜610を透過して射出される。
また、四角錐プリズム604の底面604aに、1/4波長板607の代わりに、偏光光の振動方向をランダムにする拡散板を設けても良い。拡散板は、底面604aに微細な凹凸を形成すること、又は底面604aとの間の接着層に拡散ビーズを混入させることで構成できる。これにより、入射光は、拡散板へ入射する前の偏光状態(s偏光状態)に比較して、振動方向がランダムな方向へ拡散(散乱)される。このため、再度偏光分離膜610に入射すると、偏光分離膜610を透過できる割合が高くなる。これにより、光の利用効率を向上できる。さらに、反射工程の回数が多い場合、又は反射率が低い場合などは、拡散板の拡散度を最適化することで、光利用効率を高める効果を得ることができる。
また、図7−2は、第2斜面605bと第4斜面605dとの断面方向の構成を示す。面発光部101から放射されたランダム偏光光は、1/4波長板607を透過して、四角錐プリズム604の底面604aから四角錐プリズム604内へ進行する。四角錐プリズム604内を進行する光は第4斜面605dに到達する。第4斜面605dに到達した光のうちp偏光光は、偏光分離膜610を透過する。ここで、第4斜面605dの偏光分離膜610上には、透過光の振動方向を略90°回転させる位相差板であるシート状の1/2波長板611が光学的透明接着剤により固着されている。このため、第4斜面605dの1/2波長板611を透過したp偏光光L73は、その振動方向が略90°回転されて射出する。
第4斜面605dの偏光分離膜610で反射されたs偏光光は、第4斜面605dに対向する第2斜面605bの偏光分離膜610でさらに底面604aの方向へ反射される。底面604aの方向へ進行するs偏光光は、底面604aを透過して1/4波長板607へ入射する。
そして、s偏光光は、1/4波長板607を透過して円偏光光に変換される。円偏光光は、反射金属電極106で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部101と1/4波長板607とを透過して、1/4波長板607へ入射する前の偏光状態であるs偏光状態に比較して、略90°回転した直線偏光光、即ちp偏光光に変換される。このため、p偏光光は、再度第2斜面605bの偏光分離膜610に入射すると、偏光分離膜610を透過できる。第2斜面605bの偏光分離膜610を透過したp偏光光は、さらに1/2波長板611を透過する。このため、第2斜面605bの1/2波長板611を透過した光L73は、その振動方向が略90°回転されて射出する。
このため、四角錐プリズム604全体として見た場合、2組の斜面である、4つの斜面605a、605b、605c、605dからは、全て方向が同一の特定の振動方向の偏光光が、特定の方向へ射出される。従って、光利用効率が高く、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。
なお、本実施例では、対向する斜面へ入射する光、例えば、第1斜面605aから第3斜面605cへ入射する光、及び第4斜面605dから第2斜面605bへ入射する光について説明した。しかしながら、これに限られず、例えば、第1斜面605aで反射され隣接する第2斜面605bへ入射する光についても、全反射条件や偏光方向の条件を満足すれば、四角錐プリズム604を射出できる。このような光も、偏光光の振動方向は上述の場合と同一の方向に揃っている。
図8は、本発明の実施例4に係る光源装置800の断面構成を示す。上記実施例1と同一部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。サファイア基板102上にGa、In、N等の結晶を成長させて面発光部101を形成する。面発光部101の端部にボンディングワイヤ103が設けられている。面発光部101は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部101は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部101の一方の面側には、反射部である反射金属電極106が設けられている。また、面発光部101の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム104が光学的接着剤で固着されている。
四角錐プリズム104の射出側には、グリッド偏光子810が設けられている。グリッド偏光子810は、例えば、硝子基板上にアルミニウムを波長以下のオーダーの間隔で直線状にパターニングして製造できる。グリッド偏光子810は、第1の振動方向の偏光成分であるp偏光光を透過し、第1の振動方向とは異なる第2の振動方向の偏光成分であるs偏光光を反射する偏光板の機能を有する。また、四角錐プリズム104と、グリッド偏光子810との間の光路内に、さらにシート状の1/4波長板807が設けられている。1/4波長板807とグリッド偏光子810とは、光学的透明接着剤で固着されている。さらに、四角錐プリズム104を囲むように中空円筒状の光ガイド部810が設けられている。光ガイド部810の内周面には四角錐プリズム104から射出した光を反射する反射面810aが形成されている。反射面810aは、Ag等の金属を蒸着させて形成する。
本実施例では、四角錐プリズム104の斜面に偏光分離膜を設ける代わりに、四角錐プリズム104の射出側に、第1の振動方向の偏光成分であるp偏光光を透過し、第1の振動方向とは異なる第2の振動方向の偏光成分であるs偏光光を反射する偏光板であるグリッド偏光子810を設けている。これにより、面発光部101から放射され、四角錐プリズム104の斜面105aを屈折して射出した光は、グリッド偏光子810に入射する。そして、グリッド偏光子810は、第1の振動方向の光であるp偏光光L82を透過して射出する。また、第1の振動方向と異なる第2の振動方向の光であるs偏光光は、グリッド偏光子で反射される。グリッド偏光子810で反射されたs偏光光は、1/4波長板807に入射する。
s偏光光は、1/4波長板807を透過して円偏光となり、四角錐プリズム104の方向へ進行する。そして、円偏光光は、反射部である反射金属電極106で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部101を透過して四角錐プリズム104の斜面105aから屈折して射出する。斜面105aから射出した円偏光光は、1/4波長板807を透過して、1/4波長板807へ入射する前の偏光状態であるs偏光状態に比較して、略90°回転した直線偏光光、即ちp偏光光に変換される。このため、p偏光光L81は、グリッド偏光子810を透過して射出される。これにより、第1の振動方向であるp偏光に揃った光を効率良く取り出すことができる。
さらに本実施例では、四角錐プリズム104を囲むように光ガイド部810が設けられている。光ガイド部810の高さは、四角錐プリズム104の高さと略等しいことが望ましい。四角錐プリズム104は、光ガイド部810により囲まれているため、プリズムから射出した光L83は、光ガイド部810の内周面に形成されている反射面810aで反射される。このため、光ガイド部810よりも外側へは光が広がることはない。これにより、面発光部101と略同じ面積の領域から光を効率良く取り出すことができる。
図9は、本発明の実施例5に係るプロジェクタの概略構成を示す。プロジェクタ900は、第1色光であるR光を供給する第1光源装置901Rと、第2色光であるG光を供給する第2光源装置901Gと、第3色光であるB光を供給する第3光源装置901Bとを有する。第1光源装置901R、第2光源装置901G及び第3光源装置901Bは、それぞれ上記実施例3又は実施例4で述べたような光源装置である面発光LEDである。
第1光源装置901Rはp偏光のR光を放射するように構成されている。R光は、レンズLNを透過して、第1色光用空間光変調装置であるR光用空間光変調装置910Rに入射する。R光用空間光変調装置910Rは、R光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。R光用空間光変調装置910Rは、液晶パネル915Rと、第1偏光板916Rと、第2偏光板917Rとからなる。
第1偏光板916Rは、p偏光光のR光を透過し、液晶パネル915Rに入射させる。液晶パネル915Rは、p偏光光を画像信号に応じて変調し、s偏光光に変換する。第2偏光板917Rは、液晶パネル915Rでs偏光光に変換されたR光を射出する。このようにして、R光用空間光変調装置910Rは、第1光源装置901RからのR光を画像信号に応じて変調する。R光用空間光変調装置910Rでs偏光光に変換されたR光は、クロスダイクロイックプリズム912に入射する。
第2光源装置901Gはs偏光のG光を放射するように構成されている。s偏光のG光は、レンズLNを透過して、第2色光用空間光変調装置であるG光用空間光変調装置910Gに入射する。G光用空間光変調装置910Gは、G光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。G光用空間光変調装置910Gは、液晶パネル915Gと、第1偏光板916Gと、第2偏光板917Gとからなる。
第1偏光板916Gは、s偏光のG光を透過し、液晶パネル915Gに入射させる。液晶パネル915Gは、s偏光光を画像信号に応じて変調し、p偏光光に変換する。第2偏光板917Gは、液晶パネル915Gでp偏光光に変換されたG光を射出する。このようにして、G光用空間光変調装置910Gは、第2光源装置901GからのG光を画像信号に応じて変調する。G光用空間光変調装置910Gでp偏光光に変換されたG光は、クロスダイクロイックプリズム912に入射する。
第3光源装置901Bは、p偏光のB光を放射するように構成されている。p偏光のB光は、レンズLNを透過して、第3色光用空間光変調装置であるB光用空間光変調装置910Bに入射する。B光用空間光変調装置910Bは、B光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。B光用空間光変調装置910Bは、液晶パネル915Bと、第1偏光板916Bと、第2偏光板917Bとからなる。
第1偏光板916Bは、p偏光のB光を透過し、液晶パネル915Bに入射させる。液晶パネル915Bは、p偏光光を画像信号に応じて変調し、s偏光光に変換する。第2偏光板917Bは、液晶パネル915Bでs偏光光に変換されたB光を射出する。このようにして、B光用空間光変調装置910Bは、第3光源装置901BからのB光を画像信号に応じて変調する。B光用空間光変調装置910Bでs偏光光に変換されたB光は、クロスダイクロイックプリズム912に入射する。
クロスダイクロイックプリズム912は、2つのダイクロイック膜912a、912bを有する。2つのダイクロイック膜912a、912bは、X字型に直交して配置されている。ダイクロイック膜912aは、s偏光光であるR光を反射し、p偏光光であるG光を透過する。ダイクロイック膜912bは、s偏光光であるB光を反射し、p偏光光であるG光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム912は、第1色光用空間光変調装置910Rと、第2色光用空間光変調装置910Gと、第3色光用空間光変調装置910Bとでそれぞれ変調されたR光、G光及びB光を合成する。投写レンズ930は、クロスダイクロイックプリズム912で合成された光をスクリーン940に投写する。
本実施例では、上記実施例3又は実施例4で述べた光源装置を用いている。このため、光利用効率が高く明るい投写像を得ることができる。また、実施例3、実施例4の光源装置の場合は、特定の振動方向の偏光光を供給できるため、偏光変換装置が不要となる。なお、上記実施例1又は実施例2のような、ランダムな偏光光を供給する光源装置を用いる場合、ランダムな偏光光をp偏光又はs偏光に変換する偏光変換装置を適宜設ければ良い。
なお、上記各実施例では、四角錐プリズムや円錐プリズムを例に説明を行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、多角錐プリズムであれば良い。また、本発明の光源を複数アレイ状に配置したものも含まれる。
以上のように、本発明に係る光源装置はプロジェクタに有用である。
実施例1の光源装置の斜視図。 実施例1の光源装置の断面図。 従来の光源装置の放射強度図。 実施例1の光源装置の放射強度図。 プリズムの頂角と中心強度との関係を示す図。 実施例2の光源装置の斜視図。 実施例3の光源装置の斜視図。 実施例3の光源装置の上面図。 実施例3の光源装置の断面図。 実施例3の光源装置の他の断面図。 実施例4の光源装置の断面図。 実施例5のプロジェクタの断面図。
符号の説明
100 光源装置、101a 平面発光領域、101 面発光部、102 サファイア基板、103 ボンディングワイヤ、104 円錐プリズム、104 四角錐プリズム、104a 底面、105a 斜面、105b 斜面、106 反射金属電極、107 拡散板、500 光源装置、600 光源装置、604 四角錐プリズム、604a 底面、605a、605b、605c、605d 斜面、607 1/4波長板、610 偏光分離膜、611 1/2波長板、800 光源装置、807 1/4波長板、810 グリッド偏光子、810 光ガイド部、810a 反射面、900 プロジェクタ、901R、901G、901B 光源装置、910R、910G、910B 各色光用空間光変調装置、912 クロスダイクロイックプリズム、912a、912b ダイクロイック膜、915R、915G、915B 液晶パネル、916R、916G、916B 第1偏光板、917R、917G、917B 第2偏光板、930 投写レンズ、940 スクリーン

Claims (5)

  1. 平面発光領域から光を放射する固体面発光光源と、
    前記固体面発光光源の一方の面側に設けられている反射部と、
    前記固体面発光光源の他方の面側に設けられ、光学的透明部材からなる錐プリズムと、を有し、
    記角錐プリズムの底面は、前記平面発光領域と略同一の大きさ及び形状であり、
    記角錐プリズムの斜面は、前記底面から記角錐プリズムに入射した光のうち、前記斜面で屈折する光を特定の方向へ射出し、前記斜面で反射する光を前記底面の方向へ導き、
    前記反射部は、前記斜面で反射され、前記底面と前記固体面発光光源とを透過した光を、記角錐プリズムの方向へ再度反射し、
    前記角錐プリズムは、4つの斜面を有する四角錐プリズムであり、
    前記4つの斜面には、前記各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分を透過し、前記特定の振動方向に略直交する偏光成分を反射する偏光分離膜が形成され、
    対向する一対の前記斜面は、前記偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略90°回転させる位相差板をさらに有し、
    前記4つの斜面は、振動方向の揃った光を射出することを特徴とする光源装置。
  2. 記角錐プリズムの対向する斜面のなす頂角は略90°であることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記底面には、入射光を散乱させる拡散板が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光源装置。
  4. 前記底面には、1/4波長板又は偏光光の振動方向をランダムにする散板が形成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の光源装置。
  5. 請求項1〜の何れか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
    変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。
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